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作业:聚合物太阳能电池
光致发电功能高分子 ——聚合物太阳能电池 一、引言 从18世纪第一次工业革命以来,人类对能源的需求与日俱增,传统能源石油、煤炭、天然气、水力等已经不能满足人类发展的需求。并由此引发了日趋严重的能源危机和环境污染问题,根据世界能源机构分析数据,世界石油、天然气、煤、铀的剩余开采年限仅为45年、60年、230年和70年。 太阳能具有不受地理条件限制,高效、清洁、低成本的优势,而且太阳能相对于地球所存在的能量总量相比,可谓是取之不尽用之不竭的,是一种真正意义上的绿色能源。 二、太阳能电池的分类 二、太阳能电池的分类 三、太阳能电池基本原理 三、太阳能电池基本原理 聚合物太阳能电池基本原理 在聚合物高分子太阳能电池中,光电效应过程是在光敏层中产生的。共轭聚合物吸收光子以后并不直接产生可自由移动的电子或空穴,而产生具有正负偶极的激子(电子-空穴对)。只有当这些激子被解离成可自由移动的载流子扩散到界面,并被界面的内建电场的相应的电极收集以后才能产生光伏效应。当光照到了电池的材料时,就会激发产生激子,如果光从给体材料一侧入射,电子就顺着价带能量降低的方向,从给体的导带转移至受体的导带,同样当光照到了电池的受体材料时,空穴就顺着导带能量升高的方向,从N区的价带转移至P区的价带。当电子和空穴从激子中分离开以后,就成为自由电子和空穴,分别扩散至电极,从而产生光电流。 聚合物太阳能电池基本原理 给体(D):p型材料,常用的共轭聚合物:噻吩、芴、吡嗪的共聚物等低能带间隙的电子材料 受体(A):n型材料,常用的材料:C60及其衍生物、纳米ZnO、CdSe等以及含有氰基等吸电子基团 图:太阳能电池的器件结构(P96) 四、聚合物太阳能电池的发展过程 聚合物太阳能电池的最新进展 2011年,研究发现将吸电子基团砜基引入到PBDTTT共聚物中合成了聚合物PBDTTT-S,该聚合物具有宽的吸收和较低的轨道能级,以该聚合物为给体、PC70BM为受体的聚合物太阳能电池能量转换效率达到了6.22% 2012年,美国Polyera公司的聚合物/富勒烯有机太阳能电池转换效率达到9.1%,这种有机太阳能电池的制备采用了一种倒置块状异质结结构和ActivInkPV2000半导体材料,这种活性层的厚度范围更广,且不会降低电池效率,有助于提高产量,简化制造过程。 2013年5月底,美国莱斯大学的研究团队研制出了一款基于大块共聚物(P3HT-b-PFTBT)的太阳能电池,尽管新电池的光电转化效率仅为3%,但仍然高于其他用聚合物作为活性材料的电池。 五、与传统结构太阳能电池的对比 六、结论与展望 聚合物太阳能电池的分子结构可以自行设计合成,材料来源广泛,柔韧性及成膜性好,电池加工过程相对简单,加工成本低廉,未来应用前景十分乐观。但目前为止,聚合光伏材料的转化率仍然较低,且寿命较短。虽然已有了一些实际应用,但尚无法满足大范围生产、应用的要求。如何提高转化效率、增强聚合光伏材料的稳定性,是能否商业化和与传统无机光伏电池竞争的关键,对于聚合物太阳能电池的研究依然任重道远。 * * * * * 按结构 分类 同质结 太阳电池 异质结 太阳电池 肖特基 太阳电池 按材料分类 传统太阳能电池 新型太阳能电池 晶体硅太阳能电池 非晶体硅太阳能电池 无机化合物半导体太阳能电池 纳米晶化学太阳能电池 有机化合物太阳电池 聚合物太阳电池 工作原理:光生伏打效应(光伏效应) 光激发产生的电子空穴对各种因素引起的静电势能分离产生电动势现象。太阳能电池是由p型半导体材料与n型半导体材料匹配而成,在两种材料结合处,由于负电荷(电子)与正电荷(空穴)的扩散而形成p-n结。当具有适当能量的光入射于半导体时,光与构成p-n结的半导体材料相互作用产生电子和空穴,这些点和在内建电场作用下,电子向n型半导体扩散,空穴向p型半导体扩散,并分别聚集到两个电极部分,形成光生电压。 太阳能电池的结构示意图 年份 1977 1986 1992 1995 2003 2009 p型材料 聚乙炔用I2、AsF5掺杂 酞菁衍生物 二烷基苯胺 MEH-PPV P3HT PCDTBT n型材料 四羧基苝衍生物 C60 C60衍生物PC61BM PC61BM PC71BM 成果 电导率从10-6S/cm增加到l0-2~10-3S/cm 转换效率为1% 得到高浓度的自由电荷 转换效率为2.9% 转换效率为3.5% 转换效率为6.1% 类别 传统结构电池 聚合物电池 17-22% (最新实验室研究 得40%以上) 造价 较高 约为传统结构的1/5 转化效率 不到10% 使用寿命 25年左右 1年或以下 * * * *
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